Kvantitativ Magnetic Resonance Imaging af Skeletal Muscle Disease

Summary

Neuromuskulære sygdomme udviser ofte en tidsmæssigt varierende, rumligt heterogene, og mangesidet patologi. Målet med denne protokol er at karakterisere denne patologi ved anvendelse af ikke-invasive magnetisk resonans metoder.

Abstract

Quantitative magnetic resonance imaging (qMRI) describes the development and use of MRI to quantify physical, chemical, and/or biological properties of living systems. Neuromuscular diseases often exhibit a temporally varying, spatially heterogeneous, and multi-faceted pathology. The goal of this protocol is to characterize this pathology using qMRI methods. The MRI acquisition protocol begins with localizer images (used to locate the position of the body and tissue of interest within the MRI system), quality control measurements of relevant magnetic field distributions, and structural imaging for general anatomical characterization. The qMRI portion of the protocol includes measurements of the longitudinal and transverse relaxation time constants (T1 and T2, respectively). Also acquired are diffusion-tensor MRI data, in which water diffusivity is measured and used to infer pathological processes such as edema. Quantitative magnetization transfer imaging is used to characterize the relative tissue content of macromolecular and free water protons. Lastly, fat-water MRI methods are used to characterize fibro-adipose tissue replacement of muscle. In addition to describing the data acquisition and analysis procedures, this paper also discusses the potential problems associated with these methods, the analysis and interpretation of the data, MRI safety, and strategies for artifact reduction and protocol optimization.

Introduction

Kvantitativ magnetisk resonans (qMRI) beskriver udviklingen og anvendelsen af ​​MRI at kvantificere fysiske, kemiske og / eller biologiske egenskaber levende systemer. QMRI kræver, at man vedtage en biofysisk model for systemet, der består af vævet af interesse og en MRI pulssekvens. Pulssekvensen er designet til at sensibilisere billedernes signalintensiteter til parameteren af ​​interesse i modellen. MRI signal egenskaber (signal størrelsesorden, frekvens, og / eller fase) måles og analyseres i henhold til modellen. Målet er at producere en fordomsfri, kvantitativ vurdering af en fysisk eller biologisk parameter har kontinuerligt fordelt, fysiske måleenheder. Ofte ligningerne, der beskriver systemet analyseres og monteret på en pixel-for-pixel basis, der producerer et billede, hvis pixel værdier direkte afspejler værdierne af variablen. et sådant billede er omtalt som en parametrisk kort.

En almindelig anvendelse af qMRI er ddvikling og anvendelse af biomarkører. Biomarkører kan anvendes til at behandle en sygdom mekanisme, etablere en diagnose, fastlægge en prognose og / eller vurdere et terapeutisk respons. De kan tage form af koncentrationerne eller aktiviteter af endogene eller eksogene molekyler, en histologisk prøve, et fysisk mængde, eller en intern billede. Nogle generelle krav i biomarkører er, at de objektivt måle en kontinuerligt fordelt variabel ved hjælp af fysiske måleenheder; har en klar, godt forstået forhold til patologien af ​​interesse; er følsomme over for forbedring og forværring af klinisk tilstand; og kan måles med passende nøjagtighed og præcision. Ikke-invasive eller minimalt invasive biomarkører er særligt ønskelige, da de fremmer patientens komfort og minimalt forstyrre patologi af interesse.

Et mål for udvikling af billedbaserede biomarkører for muskel sygdom er at afspejle muskelsygdom på måder, der er complementary til, mere specifik end, mere rumligt selektive end, og / eller mindre invasiv end eksisterende metoder. En særlig fordel ved qMRI i denne henseende er, at det har potentiale til at integrere flere typer af information og dermed potentielt karakterisere mange aspekter af sygdomsprocessen. Denne evne er meget vigtigt i muskelsygdomme, som ofte udviser et rumligt variabelt, kompleks patologi, der omfatter inflammation, nekrose og / eller atrofi med fedterstatning, fibrose, afbrydelse af myofilament gitter ( "Z-disk streaming"), og beskadigelse membran . En anden fordel ved qMRI metoder er, at kvalitative eller semikvantitative beskrivelser af kontrast-baserede MR-billeder afspejler ikke bare patologi, men også forskelle i billedoptagelse parametre, hardware, og den menneskelige perception. Et eksempel på dette sidste nummer blev demonstreret ved Wokke et al., Som viste, at semi-kvantitative vurderinger af fedtinfiltration er meget varierende og ofte forkert, whøne sammenlignet med kvantitativ fedt / vand MRI (FWMRI) ^1.

Protokollen beskrevet her omfatter pulssekvenser til måling af langsgående (T ₁₎ og tværgående _(T2) relaksationstidskonstanter, kvantitativ magnetiseringen overførsel (QMT) parametre, vand diffusionskoefficienter vha diffusion tensor MRI (DT-MRI) og muskel struktur ved hjælp strukturelle billeder og FWMRI. T ₁ måles ved anvendelse af en inversion recovery-sekvens, hvori den netto magnetiseringsvektor vendes om, og dens størrelse samples som vender systemet tilbage til ligevægt. T ₂ måles ved gentagne gange at omlægge tværgående magnetisering ved hjælp af et tog i at koncentrere pulser, såsom Carr-Purcell Meiboom-Gill (CPMG) metoden, og prøveudtagning de resulterende spin-ekkoer. T ₁ og T _2-data kan analyseres ved hjælp af ikke-lineære kurvetilpasning metoder, enten antage en række exponential komponenter a priori (typisk mellem en og tre) eller ved anvendelse af en lineær invers tilgang, som passer til de observerede data til summen af et stort antal rådnende exponentials, hvilket resulterer i et spektrum af signalamplituder. Denne fremgangsmåde kræver en ikke-negativ mindste kvadraters (NNLS) opløsning ^3, og indbefatter typisk yderligere regulering for at producere stabile resultater. T ₁ og T ₂ målinger er ofte blevet brugt til at studere muskelsygdomme og skade ^4-9. T ₁ værdier er typisk faldet i fedt-infiltreret regioner af muskler og forhøjede i betændte områder ^4-6; T ₂ værdier er forhøjet i begge fedt-infiltreret og betændte områder ^10.

QMT-MRI karakteriserer det frie vand og solid-lignende makromolekylære proton puljer i væv ved at estimere forholdet mellem makromolekylære til gratis vand protoner (pool størrelse forholdet, PSR); den iboende slappeation satser for disse puljer; og de valutakurser mellem dem. Fælles QMT tilgange omfatter pulserende mætning ¹¹ og selektive inversion recovery ^12,13 metoder. Protokollen nedenfor beskriver anvendelse af den pulserede mætning tilgang, som udnytter den brede liniebredde af det makromolekylære proton-signalet, i forhold til den smalle linewidth af vandet proton-signalet. Ved at mætte makromolekylære signal ved resonansfrekvenser tilstrækkeligt forskellige fra vandet signal, vandet signal reduceret som følge af magnetisering overførsel mellem de faste og frie vand proton pools. Data analyseres under anvendelse af en kvantitativ biofysisk model. QMT er udviklet og anvendt i sunde muskler ^14,15, og en nylig abstrakt optrådte beskriver dens implementering i muskelsygdom ^16. QMT er blevet anvendt til at undersøge små dyremodeller for muskelinflammation, hvor det har vist sig, at inflammation aftager PSR ^17. Idet MTafspejler både makromolekylære og vandindhold, kan MT-data også afspejle fibrose ^18,19.

DT-MRI anvendes til at kvantificere den anisotrope diffusion adfærd af vandmolekyler i væv med ordnede, aflange celler. I DT-MRI, er vand diffusion måles i seks eller flere forskellige retninger; disse signaler tilpasses derefter til en tensor model ^20. Udbredelsen tensor, D, diagonalized at opnå tre egenværdier (som er de tre vigtigste diffusivitet) og tre egenvektorer (som angiver de retninger, der svarer til de tre diffusionskoefficienter). Disse og andre kvantitative indekser afledt af D giver information om vævsstruktur og orientering på et mikroskopisk niveau. De diffusion egenskaber muskel, især den tredje egenværdi af D og graden af diffusion anisotropi, reflektere muskelinflammation ¹⁷ og muskelskader på grund af eksperimentel skade ²1, stamme skade ^22, og sygdom ^23,24. Andre potentielle påvirkninger på diffusion egenskaber muskler omfatter ændringer i celle diameter ²⁵ og permeabilitet membran ændringer.

Endelig muskelatrofi, uden eller uden makroskopisk fedtinfiltration, er en patologisk komponent af mange muskelsygdomme. Muskel atrofi kan evalueres ved hjælp af strukturelle billeder til at måle muskel tværsnitsareal eller volumen og FW-MRI til at vurdere fedtinfiltration. Fedtinfiltration kan kvalitativt beskrevet i T ₁ – og _T2-vægtede billeder ^26, men fedt og vand signaler måles bedst ved at danne billeder, som udnytter de forskellige resonansfrekvenser af fedt og vand protoner ^27-29. Kvantitative fedt / vand billeddannende metoder er blevet anvendt i muskelsygdomme såsom muskeldystrofi ^1,30,31, og kan forudsige tabet af ambulation hos disse patienter ^31.

<pclass = "jove_content"> Den qMRI protokollen beskrevet her bruger alle disse målinger til at karakterisere muskel tilstand i de autoimmune inflammatoriske myopatier dermatomyositis (DM) og polymyositis (PM). Yderligere oplysninger i protokollen, herunder dens reproducerbarhed, er tidligere ³² offentliggjort. Protokollen indeholder standard impulssekvenser samt radiofrekvens (RF) og gradient objekter magnetfelt specifikt programmeret på vores systemer. Forfatterne forventer, at protokollen er også anvendelig i andre neuromuskulære lidelser karakteriseret ved muskelatrofi, inflammation og fedtinfiltration (såsom muskeldystrofier).

Protocol

BEMÆRK: Læseren mindes om, at al forskning med menneskelige forsøgspersoner skal godkendes af den lokale Institutional Review Board (IRB) for brug af personmotiver i forskning. Forskning deltagere skal informeres om de formål, procedurer, risici og fordele ved den foreslåede forskning; tilgængeligheden af ​​alternative behandlinger eller procedurer; tilgængeligheden af ​​vederlag; og deres ret til privatlivets fred og til at trække deres samtykke og afbryde deres deltagelse. Forud for MRI test session, en investigator skal p…

Representative Results

Figur 1 viser repræsentative aksiale anatomiske billeder erhvervet ved midt på låret af en patient med polymyositis. Også vist er placeringen af ​​i plan projektion af shim volumen. Repræsentative parameter kort for hver qMRI metode, som alle stammer fra den samme patient, der leveres fra figur 2 – 7. Figur 2A og 2B viser Δ B 0 og…

Discussion

Muskel sygdomme som de muskeldystrofier og idiopatiske inflammatoriske myopatier udgør af gruppe af sygdomme, der er heterogene i ætiologi og, som individuelle enheder, sjældne i deres forekomst. For eksempel, Duchenne muskelsvind – den mest almindelige form for muskelsvind – har en forekomst af en i 3500 levende mandlige fødsler ^37,38; dermatomyositis, som denne protokol er blevet anvendt, har en forekomst på 1 i 100.000 ^39. Den højere kollektive forekomst af disse sygdomme, dog, og deres of…

Materials

Name of Reagent/ Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
3T human MRI system	Philips Medical Systems (Best, the Netherlands)		Achieva/Intera
Cardiac phased array receive coil	Philips Medical Systems
Pillows, straps, bolsters, and other positioning devices
Computer with MATLAB software	The Mathworks, Inc (Natick, MA)		r. 2014